Степень соответствия данной модели молекулы лизоцима белка куриного яйца результатам, полученным ранее

Конечно, лучше всего было бы сравнить данную модель с моделью, построенной Д.Филлипсом с сотрудниками [76, 82] по результатам рентгеноструктурного анализа, сопоставив координаты соответствующих аминокислотных остатков, ибо, судя по [44], конформация молекул лизоцима в растворе и в кристалле хотя и не идентична, но близка. Однако, в силу чисто технических причин, мы такой возможностью не располагаем. Тем не менее, сопоставление детального описания модели, построенной по результатам рентгеноструктурного анализа [76, 82], с моделью, построенной нами по А – А коду, демонстрирует, что обе эти модели удовлетворительно согласуются друг с другой. Справедливость этого утверждения видна из следующего.

1. Резкие изменения направления движения синтезирующейся полипетидной цепи – ее повороты порядка 90–180°, – определяющие величину ее сегментов и их макроукладку, как свидетельствует таблица 5, – и согласно модели, построенной Д.Филлипсом, и согласно данной модели происходят у одних и тех же аминокислотных остатков. В ряде случаев, однако, (5 из 18) отмечаются различия в тонком строении соответствующих сегментов, а также различия в относительном положении друг относительно друга ряда сегментов.

2. Участок полипептидной цепи, состоящий из аминокислотных остатков 3–17, согласно данной модели, так и согласно модели, построенной Д.Филлипсом [82], представляет собой спираль, несколько отличающуюся от классической a -спирали. В данном случав это отличие формально состоит в том, что шаг этой спирали не 3,6, а 4. Участок 88–96, – этот участок по Д.Филлипсу также является искаженной a-спиралью, может превратиться в спираль с шагом 4 при уплотнении молекулы, что, вероятно, имеет место в действительности при кристаллизации лизоцима. Такая спираль образуется в результате возникновения А – А связей между сер-86 – ала-90, цис-94 – ала-90 и сер-91 – ала-95. В модели, построенной Д.Филлипсом, спирализован, однако, и участок 24–34. Следует подчеркнуть, что на основе А – А кода этот участок в спираль с шагом 4 превратиться не может. Возможно, что он превращается в a-спираль при кристаллизации. В пользу этого соображения свидетельствует ранее высказанная идея, согласно которой в основе кристаллизации белков лежит взаимодействие антигенных детерминантов соседних молекул, ибо в состав этого участка как раз и входит один из антигенных детерминантов – в данном случае желтый. При взаимодействии с другим антигенным детерминантом и прилежащими аминокислотными остатками возможность разрушения кодовых связей А – А весьма велика, а согласно Розе и Роу [14] именно распад гидрофобных областей и ведет к обратимому возникновению a-спиралей в молекуле лизоцима*. Существенно, что, как пишет Д.Филлипс, этот участок превращается в спираль, наиболее сильно по сравнению с другими спирализованными участками молекулы лизоцима отклоняющуюся от классической a-спирали.

3. Участок полипептидной цепи, состоящий из аминокислотах остатков 41–54, так же, как и в модели, построенной Д.Филлипсом, укладывается сам на себя и образует структуру, геометрически (но не по причинам ее возникновения) идентичную складчатому листу, у которого аминокислотные остатки 46–49 образуют шпильку.

4. Первые 40 аминокислотных остатков, – спирали с шагом 4 и 10 – как и в модели, построенной Д.Филлипсом, – образуют компактную структуру, находящуюся на одном из концов, далее условно называемом верхним, длинной оси эллипсоидальной молекулы лизоцима. На противоположном конце этой оси, как и в упомянутой модели, находятся аминокислотные остатки 65–75, а на противоположных концах малой оси молекулы – аминокислотные остатки 100–103 и 35–37 (см. рис. 7 статьи [82]).

5. Первая часть домена 4 – участок полипептидной цепи 47–86, – как и в модели лизоцима, построенной Д.Филлипсом, образует структуру типа двух крыльев.

6. Как и в упомянутой модели, в данной модели молекулы лизоцима также имеется глубокая щель и также эта щель расположена с одной, лицевой стороны молекулы. Расположение в этой щели субстрата лизоцима – гексасахарида, состоящего из чередующихся остатков N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, – при котором положение его колец соответствует показанному на модели, построенной Д.Филлипсом (рис. 7 статьи [82]), демонстрирует, что в области, занимаемой тем же субстратом в данной модели (рис. 13), действительно, располагаются все 24 аминокислотных остатка, согласно упомянутой модели входящие в состав активного центра лизоцима (на данной модели эти аминокислотные остатки помечены буквами АЦ).

7. Аминокислотные остатки активного центра, согласно модели, построенной Д.Филлипсом, находящиеся рядом друг с другом (асп-52, глн-57, арг-45, сер-50 и фен-59), (сер-72, сер-90, асн-59 и арг-61) [82], контактируют друг с другом также и согласно данной модели.

8. Аминокислотные остатки, согласно [82] контактирующие с кольцом F, находятся рядом с этим кольцом и в данной модели. Совпадает также положение глн-57, асн-59 и три-63 относительно кольца С и асн-52, асн-46 и ала-107 относительно кольца D. Однако, согласно данной модели три-108 расположен не у кольца С, а между кольцами D и E, а вал-109 и глу-35 – не у кольца D, а у кольца E.

9. Аминокислотные остатки, входящие в состав антигенных детерминантов “синий” и “красный”, соответственно, расположены друг относительно друга так же, как и в модели, построенной Атасси и Ли [42] применительно к модели, построенной Д.Филлипсом [82]. Однако, согласно [42] аминокислотные остатки “желтого” антигенного детерминанта расположены в порядке лиз-116 – асн-113 – арг-114 – фен-34 – лиз-33, тогда как согласно данной модели они расположены в порядке лиз-116–арг-114–асн-113–фен-34–лиз-33. Причины этого расхождения – образование в модели Д.Филлипса в этой области a-спирали и отсутствие таковой в данной модели.

10. Положение антигенных детерминантов относительно других частей молекулы полностью согласуется с приведенным Атасси и Ли [42]. Так, антигенный детерминант "синий" направлен по правой спирали, "красный" – по левой спирали, первые два аминокислотных остатка "желтого" – по правой спирали, а остальные три – по левой спирали.

11. Дисульфидные связи, согласно данной модели, образуются в тех же положениях, которые установлены анализом первичной структуры лизоцима [101]. Дисульфидные мостики цис-64 – цис-80, цис-30 – цис-115 и цис-6 – цис-127 экранированы от растворителя другими участками полипептидной цепи молекулы, что соответствует тому факту, что дисульфидные связи лизоцима не восстанавливаются тиолами, если третичная структура молекулы не разрушена [102]. Однако четвертый дисульфидный мостик не экранирован.

12. Оценивая степень сходства моделей молекулы лизоцима, построенной Д.Филлипсом и данной, на субмолекулярном уровне, мы видим, что согласно обоим этим моделям эта молекула построена из 4-х доменов. Состав соответствующих доменов, следуемый как из первой, так и из второй модели, близок друг к другу. Так, согласно первой модели, домен I строится из аминокислотных остатков 3–16, а согласно второй – из аминокислотных остатков 3–17, домен II – из аминокислотных остатков 20–39 и 18–40, соответственно, домен III – из аминокислотных остатков 43–54 и 41–60, соответственно, а домен IV – из аминокислотных остатков 57–86 и 61–100, соответственно. Оставшаяся часть полипептидной цепи, возвращаясь к NH₂-концу, дополняет домены I и II. Трассы этого пути совпадают.

Нельзя, однако, не заметить, что несмотря на столько хорошее совпадение между положениями, занимаемыми упомянутыми аминокислотными остатками, согласно первой и второй модели, по общей форме молекулы эти две модели существенно отличаются друг от друга. Так, согласно модели, построенной Д.Филлипсом, молекула данного лизоцима по форме близка эллипсоиду вращения, тогда как согласно данной модели она имеет форму усеченного и полного конусов, основания которых совмещены друг с другом.

В чем же причина этого различия? Ответ на этот вопрос можно попытаться получить, анализируя результаты рентгеноструктурного анализа комплекса, образуемого лизоцимом с трисахаридом, состоящим из одного остатка N-ацетилглюкозамина и двух остатков N-ацетилмурамовой кислоты [103]. Установлено, что в кристаллах этого состава гуанидиновая группа арг-125 контактирует с кольцом В этого субстрата, соединенного с соседней молекулой лизоцима. Имея в виду тот факт, что арг-125 находится на конце большой оси молекулы лизоцима, а кольцо В субстрата, связавшегося с молекулой лизоцима, на ее меньшей оси, можно полагать, что при кристаллизации лизоцима домен I его молекулы изгибается таким образом, что оказывается в контакте со спиной остальной части молекулы, а быть может, и внутри кольца, образуемого доменом II. В результате арг-125, продолжая оставаться на большой оси молекулы, приближается к ее центру, что и приводит к тому, что молекула лизоцима приобретает форму эллипсоида вращения, а гуанидиновая группа арг-125 получает возможность контактировать с кольцом В молекулы субстрата соседней молекулы лизоцима, – ее "красным" АД.

Такого рода модификация формы молекулы лизоцима, происходящая при его кристаллизации, позволяет также понять, почему в положении модели, показанном на рис. 1 [42], мы полностью видим "красный" и "синий" антигенные детерминанты, но вовсе не видим "желтый", а в положении, показанном на рис. 2 [42], полностью видим лишь "желтый", а из состава двух других – три аминокислотные остатка синего и лишь один – красного антигенного детерминанта (АД).

Резюмируя все сказанное выше, мы полагаем, что есть все основания утверждать” что модель трехмерной молекулы лизоцима, построенная согласно А – А коду, соответствует реальной, синтезируемой в клетке, но находящейся в составе кристалла лизоцима, конечно, соответствует не полностью.

Продолжение

* Об этом свидетельствуют и результаты экспериментов [120], с которыми мы ознакомились уже после написания данной статьи, посвященных изучению степени связывания молекулами лизоцима молекул воды и диоксана в растворах вода – диоксан, при концентрации диоксана, постепенно возрастающей до 58%. Оказалось, что при возрастании концентрации диоксана до 10%, связывание его лизоцимом сначала возрастает, затем в области концентрации диоксана от 10 до 40% постепенно уменьшается и, наконец, в области от 40 до 58% снова резко возрастает. Примечательно, что по мере возрастания концентрации диоксана примерно параллельно возрастает и степень a -спирализации молекулы лизоцима. С позади данной концепции этот феномен вполне понятен. Так, на первой стадии молекулы диоксана связываются с остатками неполярных аминокислот, находящихся на поверхности молекул лизоцима. Затем, по мере возрастания концентрации диоксана, А – А связи, образуемые аминокислотными остатками остова молекулы лизоцима, распадаются. Это ведет к трем эффектам: 1) к освобождению большого числа как полярных, так и неполярных аминокислотных остатков остова молекул лизоцима; 2) к связыванию полярными аминокислотными остатками дополнительного числа молекул воды (что и наблюдается в этой области концентраций диоксана); 3) к вытеснению освободившимися из А – А связей остова неполярными аминокислотными остатками тех молекул диоксана, которые ранее связались с неполярными аминокислотными остатками поверхности лизоцима, что и ведет к суммарному уменьшению связывания диоксана лизоцимом в данной области концентраций диоксана, и, наконец, 4) при дальнейшем увеличении концентрации диоксана – к распаду всех А – А связей. Вся эта последовательность событий ведет к возрастанию степени a -спирализации молекул лизоцима именно потому, что по их ходу число А – А связей, – т.е. комплекса гидрофобных взаимодействий, строго упорядоченных в пространстве, – все время уменьшается и, следовательно, ючезают препятствия к возникновению системы водородных связей, формирующей a-спирали лизоцима. Напротив, возникновение неупорядоченных гидрофобных взаимодействий, наблюдающееся на второй стадии процесса – при вытеснении молекул диоксана из состава молекул лизоцима – возникновению a-спиралей не мешает.

Оглавление

Титульный лист | Физико-химическая биология | Меклер

 

Меклер Л.Б., Идлис Р.Г.

Построение моделей трехмерных молекул биологических полипептидов и нуклеопротеидов согласно общему коду, определяющему специфическое линейное узнавание и связывание аминокислотными остатками полипептидов как друг друга, так и тринуклеотидов полинуклеотидов

Москва 1981

Предыдущий раздел

Заключение

Итак, мы видим, что модели трехмерных молекул белка-репрессора cro фага l и лизоцима белка куриного яйца, построенные согласно коду А – А, соответствуют функциям [98–100] и строению [76, 82] этих белков, описанным в литературе. Сказанное справедливо и в отношении моделей инсулина, миоглобина и панкреатической рибонуклеазы S. Поскольку такая корреляция не может быть случайной, можно полагать, что это обстоятельство свидетельствует о том, что данный код отвечает реальности, а метод его применения, описанный в данной статье, в общем, позволяют отроить удовлетворительные модели трехмерных молекул биологических полипептидов и их комплексов с соответствующими полинуклеотидами. Поскольку согласно данному коду удалось построить удовлетворительные модели трехмерных молекул столь различных по функциям и положению на эволюционном древе белков, как белок-репрессор cro бактериофага, лизоцим курицы, миоглобин кашалота, инсулин свиньи и рибонуклеаза крупного рогатого скота, можно полагать, что код А – А в той же мере универсален, как и генетический код трансляции.

Построение моделей трехмерных молекул упомянутых белков согласно коду А – А позволило обнаружить ряд интересных особенностей, по-видимому, свойственных и другим белкам, но ранее неизвестных. К их числу относятся следующие.

Трехмерные молекулы биологических полипептидов строятся непосредственно по мере их синтеза полирибосомами с латентнымпериодом порядка 5–7 аминокислотных остатков. Синтезирующаяся полипептидная цепь вьется сама вокруг себя, образуя спирали, шаг которых обычно ступенчато возрастает. Однако наблюдаются случаи, когда за спиралью большого шага следует спираль несколько меньшего шага. Спирали образуются как следствие специфического связывания, друг с другом аминокислотных остатков полипептидной цепи, определяемого данным кодом. Для стабилизации спиральной структуры достаточно, чтобы А – А связи возникали не реже, чем через каждые 5–7 аминокислотных остатков. Тем самым обеспечивается и однозначность порядка формирования спиралей. Наблюдаются, однако, отдельные случаи, когда однозначность сохраняется и при расстоянии между соседними А – А связями порядка 8–10 аминокислотных остатков. А – А связи могут возникать и между аминокислотными остатками параллельно идущих полипептидных цепей, и между аминокислотными остатками данного сегмента цепи. В первом случае они направлены параллельно оси спирали, во втором – перпендикулярно.

После прохождения половины – двух третей пути направление движения полипептидной цепи изменяется на противоположное, и она возвращается к NH₂-концу. На определенной части этого пути растущая полипептидная цепь движется подобно застежке-молнии, разрушая ранее возникшие А – А связи и формируя новые то c левой, то с правой соседней цепью.

Трехмерные молекулы полипептидов строятся в соответствии с принципом, названным принципом связности вертикальных рядов аминокислотных остатков. Значение данной особенности остается неясным. Вызван ли данный феномен кристаллизацией в вертикальных рядах спиралей подобных по стерической структуре аминокислотных остатков, предстоит выяснять. Неясно также, какое точно функциональное значение может иметь такой порядок расположения аминокислотных остатков.

В составе трехмерной молекулы биологических полипептидов, по-видимому, образуются три типа структур, каждая из которых выполняет функцию, свойственную именно ей. 1 – опорная структура – остов молекулы. 2 – однонитчатые петли, состоящие из 5–7 аминокислотных остатков, из которых минимум один образует А – А связь с другой (другими) аминокислотными остатками данной молекулы белка. Аминокислотные остатки каждой такой петли представляют собой антигенный детерминант молекулы. 3 – двуспиральные петли, полипептидные цепи которых могут скользить друг относительно друга, образуя при этом новую систему А – А, а часто и S–S связей. Эти движения, по-видимому, и представляют собой конформационные переходы, многократно наблюдавшиеся, в результате которых и реализуются свойственные данной молекуле функции – ферментативные, гормональные и другие.

Каждый домен трехмерной молекулы полипептида завершается антигенным детерминантом, а часто и дисульфидным мостиком, стабилизирующим структуру молекулы, нарушенную изменением шага спирали или появлением однонитчатого участка. Один из аминокислотных остатков каждого антигенного детерминанта образует А – А связь с каким-либо другим аминокислотным остатком данной молекулы. Можно полагать, что разрыв этой связи и является тем сигналом, который передается антигенным детерминантом – органом чувств молекулы – при его специфическом контакте с тем или иным компонентом внешней для данной молекулы среды.

Возможность локального, закономерного в обратимого сдвига одних спиралей молекулы относительно других при сохранении целостности остова молекулы, конечное положение которого стабилизируется возникновением новых S–S мостиков вместо ранее разрушенных, характерна для всех белков, модели которых были построены. Можно полагать, что достигаемая таким образом стабилизация конфигураций молекулы биологического полипептида, являющихся термодинамически и (или) кинетически нестабильными, должна иметь важное значение для возникновения у биологических полипептидов функций ферментов или гормонов.

Обнаруженные особенности биологических полипептидов позволяют утверждать, что биологические полипептиды – белки – действительно, построены и работают по принципу молекулярных машин, как это ранее обосновано теоретически [73, 110]. Однако конкретные механизмы работы этих машин, обнаружившиеся в результате построения моделей трехмерных молекул биологических полипептидов согласно давнему коду, – тема другой статьи.

Пользуемся случаем выразить искреннюю признательность проф. Л.А.Блюменфельду за многолетний интерес и поддержку теоретических исследований, результаты которых изложены в данной статье, ценную и конструктивную критику.

Москва 1981

Оглавление

Титульный лист | Физико-химическая биология | Меклер

https://www.chem21.info/info/714733/

Справочник химика 21